Эпигенетика - [40]
11. От одноклеточных систем к многоклеточным
5000–6000 генов, содержащихся в геномах почкующихся и дробянковых дрожжей, достаточны для регуляции основных метаболических процессов и процессов клеточного деления. Здесь, однако, нет потребности в клеточной дифференпировке, поскольку эти одноклеточные организмы в основе своей являются клональными и, как таковые, многократно повторяющимися «бессмертными» существами. В противоположность им млекопитающие кодируются приблизительно 25000 генами, требующимися в клетках примерно 200 разных типов. Понимание того, каким образом с одной и той же генетической матрицы генерируется и координируется связанная с многоклеточностью сложность организма, является ключевым вопросом в эпигенетических исследованиях.
Сравнение размеров генома у дрожжей, мух, растений и млекопитающих показывает, что размер генома существенно растет с увеличением сложности соответствующего организма. Имеет место более чем 300-кратное различие между размерами геномов у дрожжей и у млекопитающих, при том что общее число генов возрастает всего в какие-нибудь 4–5 раз (рис. 3.15). Однако показателем сложности генома может служить отношение кодирующих последовательностей к некодирующим и повторяющимся: в основном «открытые» геномы одноклеточных грибов имеют сравнительно мало некодирующей ДНК по сравнению с высоко гетерохроматинизированными геномами многоклеточных организмов. В частности, млекопитающие накопили значительное количество повторяющихся элементов и некодирующих участков, которые составляют большую часть их нуклеотидных последовательностей ДНК (52 % некодирующей и 44 % повторяющейся ДНК). Таким образом, лишь 4 % генома млекопитающих кодируют белковые функции (включая интронные последовательности) Эта массивная экспансия повторяющихся и некодирующих последовательностей у многоклеточных организмов, вероятнее всего, обусловлена включением инвазивных элементов, таких как ДНК-транспозоны, ретротранспозоны и другие повторяющиеся элементы. Хотя эти последние и представляют собою нагрузку для программ координированной экспрессии генов, они в то же время делают возможной эволюцию генома и обусловливают его пластичность, а также некоторую степень стохастической регуляции генов. Экспансия повторяющихся элементов инфильтрировала даже транскрипционные единицы генома млекопитающих. Результатом явились транскрипционные единицы, нередко гораздо более крупные (30—200 т. н.) и обычно содержащие множественные промоторы и повторы ДНК внутри нетранслируемых интронов. В противоположность этому растения, обладающие такими же большими геномами, обычно обладают меньшими транскрипционными единицами с меньшими интронами, потому что у них развились защитные механизмы, не позволяющие «терпеть» вставку транспозона в пределах транскрипционной единицы.
>Рис. 3.15. Круговые диаграммы, характеризующие организацию генома у разных организмов
>Над каждой диаграммой указаны размеры генома для основных модельных организмов, используемых в эпигенетических исследованиях. Увеличение размеров генома у более сложных многоклеточных организмов коррелирует со значительной экспансией некодирующих (т. е. интронных, межгенных и рассеянных повторяющихся последовательностей) и повторяющихся (например, сателлитной. LINE, SINE ДНК) нуклеотидных последовательностей ДНК Эта экспансия сопровождается увеличением числа эпигенетических механизмов (в особенности репрессивных), регулирующих геном Расширение генома коррелирует также с увеличением размеров и сложности единиц транскрипции, за исключением растений; эти последние выработали механизмы, не допускающие вставок или дупликаций в транскрипционной единице. Р — промоторный элемент ДНК
Существуют важные различия между организмами, проявляющиеся в типах эпигенетических путей, используемых, несмотря на высокую степень функционального консерватизма, во многих механизмах у разных видов. Полагают, что эти различия отчасти имеют отношение к величине генома. Широкая экспансия в геном некодирующих и повторяющихся ДНК у высших эукариот требует наличия более экстенсивных эпигенетических механизмов сайленсинга. Это коррелирует с тем фактом, что млекопитающие и растения используют весь диапазон репрессивного метилирования лизина гистонов, метилирования ДНК и механизмов сайленсинга посредством RNAi. Другим вопросом, связанным с многоклеточностью, является вопрос о том, каким образом могут координироваться и поддерживаться множественные клеточные типы (клеточная идентичность) Для регуляции генома имеет место тонкое равновесие с участием групп белковых комплексов Polycomb (PcG) и Trithorax (trxG). С появлением многоклеточности в особенности коррелируют белки PcG (см. раздел 12).
Клетки в многоклеточном организме по своим функциям могут быть разделены на два основных компартмента: зародышевые клетки (тотипотентные и требующиеся для передачи генетической информации следующему поколению) и соматические клетки (дифференцированная «силовая станция» организма). Существуют важные вопросы относительно того, как компартмент зародышевых клеток поддерживает тотипотентность своего эпигенома и какие механизмы вовлечены в стирание, установление и поддержание клеточной судьбы (клеточная память). Поскольку одна зародышевая клетка дает начало другой зародышевой клетке, она в сущности обладает неограниченным пролиферативным потенциалом, подобно одноклеточным «бессмертным» организмам. Однако для того чтобы выполнять эту роль, зародышевые клетки находятся по большей части «в покое» и не реагируют на внешние стимулы, так что целостность их эпигенома может быть защищена. Действительно, ооциты млекопитающих могут сохраняться в покоящемся состоянии более 40 лет. Аналогичным образом, взрослые стволовые клетки (мультипотентные) представляют собой в основном популяцию «спящих» клеток, пролиферирующую (и самовозобновляющуюся) только тогда, когда они. эти клетки, активируются митогенными стимулами и проходят ограниченное число клеточных делений. Таким образом, на состав и структуру эпигенома влияют многие внутренние (например, транскрипция, репликация ДНК, расхождение хромосом) и внешние (например, цитокины, гормоны, повреждение ДНК или общая реакция на стресс) сигналы, в особенности если соматическая дифференцировка вынудила клетки покинуть среду, защищающую зародышевые и стволовые клетки.
